胡方田 朱小穎

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211122）

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料在性能和功能上具有獨(dú)特優(yōu)勢，成為航空航天材料重要組成部分。作為功能材料，滿足飛行器防熱、隔熱和透波要求。作為承力和次承力結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)飛行器減重增程效果［1］。

立體織物以不同工藝實(shí)現(xiàn)高性能纖維的層間交織，提高了復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度和斷裂韌性。已經(jīng)用于導(dǎo)彈的鼻錐、天線窗材料，火箭發(fā)動機(jī)噴管、喉襯材料，衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)材料，直升機(jī)旋轉(zhuǎn)翼和飛機(jī)剎車片等材料［2］。

極端環(huán)境下飛行器對材料的特殊要求以及降低飛行成本對自身減重的要求，推動了立體織物技術(shù)發(fā)展。國內(nèi)從20世紀(jì)70年代，陸續(xù)開發(fā)了正交三向、細(xì)編穿刺、三維編織、三維機(jī)織、縫合、針刺和纖維棒等立體織物，取得了一系列重要成果，形成了覆蓋立體織物組分和性能關(guān)系的基礎(chǔ)研究、結(jié)構(gòu)和功能的應(yīng)用開發(fā)、構(gòu)件產(chǎn)品工程化研制、能力和品質(zhì)保障技術(shù)平臺，提供了種類多樣、規(guī)格齊全的增強(qiáng)材料，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)［3-4］。

立體織物的制備一般使用碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維和高強(qiáng)度聚乙烯纖維等高性能纖維。這使得復(fù)合材料性能具有一定的可設(shè)計(jì)性，即根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同，選取相應(yīng)的纖維及織物結(jié)構(gòu)來滿足既定要求。按照復(fù)合材料部件的大致輪廓和厚度進(jìn)行近凈尺寸制備出立體的織物，稱之為預(yù)制體，見圖1，這樣減少了因?yàn)闄C(jī)械加工、連接、裝配帶來的損傷和材料浪費(fèi)，進(jìn)一步提高部件結(jié)構(gòu)的整體性和質(zhì)量［5］。

圖1 立體織物圖例Fig.1 Examples of three-dimensional fabrics

立體織物的研究內(nèi)容主要包括織物結(jié)構(gòu)參數(shù)、成型工藝、成型裝備和性能評價等。研究路徑主要圍繞纖維體積分?jǐn)?shù)和各方向的纖維分量，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)分配設(shè)計(jì)，在滿足使用前提下，低成本方案作為首選。

立體織物的發(fā)展是在工程需求牽引下，根據(jù)目標(biāo)需求和問題開展技術(shù)攻關(guān)和工程化研制，通過復(fù)合材料部件考核驗(yàn)證。國內(nèi)科研院所和高校圍繞宇航材料用立體織物的研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)和共性問題，通過不同學(xué)科的交叉研究，上下游技術(shù)的融通發(fā)展，取得開拓性成果，滿足我國航空航天對先進(jìn)復(fù)合材料用立體織物需求。

高性能纖維成型復(fù)合材料增強(qiáng)體，可以從一維到二維再到三維進(jìn)行，不同成型工藝，復(fù)合材料性能和成型效率差異也很大，見圖2。我國已經(jīng)陸續(xù)攻克了高性能纖維的工程化制備技術(shù)，先進(jìn)復(fù)合材料可以是纖維以一維的形式帶膠纏繞、鋪絲、鋪帶成型構(gòu)件，成型效率較低，纖維間的連接靠膠體；將纖維制作成二維片材，方法包括機(jī)織、編織、針織和非織造等工藝，成型效率高，疊層后與基體復(fù)合成為復(fù)合材料構(gòu)件，層間連接靠基體［6］。

圖2 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)按照方向和維度的分類Fig.2 Reinforcement structures classified according to direction and dimension

立體織物是以三維形式存在的纖維或片材。纖維以不同結(jié)構(gòu)形式交織成立體織物，如正交三向織物、三維編織物等；用纖維將疊層的二維片材層間連接，可形成縫合織物、細(xì)編穿刺織物、針刺織物和Zpin 等織物。立體織物工藝形式較多，工藝參數(shù)對復(fù)合材料性能和成型效率影響影響很大。

本文針對復(fù)合材料用立體織物的結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)機(jī)理、制備工藝、制造設(shè)備和應(yīng)用等國內(nèi)外研究情況進(jìn)行分析總結(jié)，并將立體織物的特點(diǎn)和我國近年的發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合，指出未來的發(fā)展趨勢。

1 織物結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)機(jī)理

立體織物結(jié)構(gòu)是指纖維束或纖維片材在三維空間內(nèi)的分布形式，見圖3，對復(fù)合材料性能起決定性作用，并影響成型工藝和成型裝備。與二維織物相比，立體織物最大優(yōu)勢是提高復(fù)合材料層間性能，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中存在不同形式的層間連接纖維。

圖3 立體織物基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of basic structure of three-dimensional fabric

圖3（a）為三維機(jī)織結(jié)構(gòu)單元，主要由經(jīng)向和緯向纖維組成，其中一個方向纖維跨越層間，形成層間連接，稱為角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。

圖3（b）為正交三向結(jié)構(gòu)單元，它由三個方向纖維組成，分布在笛卡爾坐標(biāo)系的三個方向上，把任何兩個方向看成是纖維層，第三個方向就是層間纖維。從成型工藝角度，正交三向結(jié)構(gòu)是三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的一種特殊形式。

圖3（c）為三維編織結(jié)構(gòu)單元，主要由四個方向的纖維組成，每個方向的纖維同時跨越層和列，形成層間連接。

圖3（d-f）分別為縫合、針刺和Z-pin 織物結(jié)構(gòu)，主要由平面的二維織物和垂直于平面的z向纖維組成，z向纖維形成層間連接［7-8］。

2 立體織物制備工藝

不同結(jié)構(gòu)的立體織物，制備工藝差異很大。相同結(jié)構(gòu)的立體織物，也有不同的制備工藝。

2.1 三維機(jī)織

在二維機(jī)織物基礎(chǔ)上，三維機(jī)織物已經(jīng)發(fā)展出專門設(shè)計(jì)的三維織機(jī)，多層經(jīng)向纖維與緯向纖維交織，能夠織造出角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和正交三向結(jié)構(gòu)機(jī)織物，見圖4［9］。

圖4 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of 3D woven structure

三維機(jī)織物由兩組纖維組成，開口操作使多層經(jīng)向纖維在織物厚度方向上移位，從而在織物寬度方向上形成梭口，以便緯向纖維引入。這樣兩組纖維和織造裝置的功能組成符合二維織造的原理［10］，且已經(jīng)形成多層多梭口的高效織造方法［11］。

正交三向織物的成型工藝有多種，主要原理是將其中z方向的纖維排列成x、y方向矩陣，在矩陣縫隙中交替填充x、y方向纖維，密實(shí)后形成正交三向立體織物［12-13］。可以形成不同截面形狀的正交三向織物，也可以形成回轉(zhuǎn)體織物［14-15］。

2.2 三維編織

三維編織物需要通過專用設(shè)備上的攜紗器牽動纖維按照圖示運(yùn)動規(guī)律完成基本的三維四向結(jié)構(gòu)，見圖5，通過不同方向纖維的增加，可以形成多種三維編織結(jié)構(gòu)。在圖6（a）所示的三維四向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加z向纖維，從而形成如圖6（b）所示的三維五向結(jié)構(gòu)，同樣方法可形成三維六向、三維七向結(jié)構(gòu)，見圖6（c）～（d），此理論上最多可形成三維十三向結(jié)構(gòu)。但實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，最多到三維七向結(jié)構(gòu)，其他理論結(jié)構(gòu)暫無使用案例報(bào)道。

圖5 四步法運(yùn)動規(guī)律示意圖Fig.5 Schematic diagram of four-step movement

圖6 三維編織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of three-dimensional braided structure

2.3 三維連層

為解決二維織物疊層增強(qiáng)復(fù)合材料的層間性能弱問題，增加厚度方向纖維是解決問題的有效途徑。常見連層方法有縫合、穿刺、針刺和Z-pin，四種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，各工藝性能特點(diǎn)見表1，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇?？p合技術(shù)是指采用纖維使多層織物結(jié)合成立體織物，或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種制備技術(shù)，見圖7，縫合可以作為一種裝配連接技術(shù)，將其他工藝成型的立體織物連接成整體?？p合織物的鋪層方向、距離和纖維層等均可以進(jìn)行優(yōu)化組合，縫合方式和縫合區(qū)域也可以按需調(diào)整，使得縫合織物具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。通過縫合參數(shù)的合理設(shè)定可以獲得不同外形的整體結(jié)構(gòu)，并達(dá)到合理的應(yīng)力傳遞。自動化縫合設(shè)備大幅提高了縫合織物的一致性和縫合效率［16-17］。

圖7 縫合織物工藝和設(shè)備Fig.7 Sewing fabric technology and equipment

表1 四種連層工藝性能的對比Tab.1 Comparison of performance of four interlayer processes

針刺工藝是將含有纖維網(wǎng)或布層重復(fù)疊加和針刺，通過刺針棱角上的倒鉤將部分纖維攜帶到z向，形成層間含有垂直纖維的針刺織物，如圖8所示。針刺工藝適用于平板異形構(gòu)件織物制作。布層經(jīng)過針刺，面內(nèi)纖維損傷較大［18］；只有部分纖維形成非貫穿層間連接，纖維體積分?jǐn)?shù)較低；針刺織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對均勻、細(xì)密，復(fù)合材料制備過程中，基體填充效率高［19］。針刺織物可用作發(fā)動機(jī)部件增強(qiáng)體。同時，針刺工藝和設(shè)備相對比較成熟，且機(jī)械化程度相對較高。

圖8 針刺織物工藝和設(shè)備Fig.8 Needle-punched fabric technology and equipment

Z-pin 工藝是20世紀(jì)90年代興起的一種層連結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)工藝，如圖9（a）所示，是在未固化的復(fù)合材料的厚度方向插入復(fù)合材料纖維棒，棒長一般在0.2～1.0 mm，形成布層的z向纖維，纖維棒一般通過超聲輔助設(shè)備植入。Z-pin 工藝適用于平板織物，也可以制作異形構(gòu)件，如圖9所示［20］。細(xì)編穿刺工藝是將布層逐層刺入鋼針矩陣，達(dá)到需要的高度后將鋼針換成纖維，形成三維織物，如圖10所示。穿刺工藝適用于塊狀織物，纖維體積分?jǐn)?shù)較高［21］。

圖9 Z-pin工藝和設(shè)備Fig.9 Z-pin technology and equipment

圖10 細(xì)編穿刺工藝和織物Fig.10 Fine-weave pierced process andfabric

2.4 纖維棒法

以纖維棒和纖維為原材料，采用插棒、纏繞或纖維棒直接成型等方法成型立體織物，稱為纖維棒法。纖維棒法是利用纖維制成的棒（纖維棒）有一定剛度的特點(diǎn)，將纖維棒排列成框架結(jié)構(gòu)，再和其他纖維、纖維棒或是二維織物進(jìn)行組合成織物。按照骨架結(jié)構(gòu)中纖維棒方向不同，纖維棒法分為軸棒結(jié)構(gòu)和徑棒結(jié)構(gòu)，見圖11。不同方向纖維棒按照纖維棒可構(gòu)成矩形或多邊形等矩陣。徑棒結(jié)構(gòu)是在回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中，纖維棒沿徑向方向依次排布，纖維沿周向或母線方向上進(jìn)行鋪設(shè)形成立體織物［22-23］。

圖11 纖維棒法成型工藝Fig.11 Fiber rod forming process

3 立體織物對復(fù)合材料性能的影響因素

3.1 織物結(jié)構(gòu)

立體織物結(jié)和參數(shù)構(gòu)確定了織物內(nèi)部孔隙的分布與幾何形狀、纖維的彎扭程度與不同方向比例，支配著纖維性能在復(fù)合材料中的分配，并影響復(fù)合材料制備過程。

楊彩云對比了三維機(jī)織和正交三向結(jié)構(gòu)織物增強(qiáng)的C/C 復(fù)合材料的拉伸和剪切性能，研究表明，織物中纖維越直強(qiáng)度發(fā)揮越好，正交三向復(fù)合材料中纖維均呈伸直狀態(tài)，相同方向拉伸性能好于三維機(jī)織復(fù)合材料。雖然三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中經(jīng)向纖維以一定角度在厚度方向取向，與正交三向織物厚度方向纖維貫穿垂直增強(qiáng)相比，后者的剪切性能明顯提高，前者的層間剪切強(qiáng)度只相當(dāng)于針刺氈的增強(qiáng)水平［24］。國內(nèi)外的防熱抗燒蝕材料研究均起始于正交三向結(jié)構(gòu)織物，且仍在廣泛應(yīng)用。

曹海建對比了三種典型結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能，研究表明復(fù)合材料拉伸、壓縮強(qiáng)度基本取決于其纖維束傾角和纖維體積分?jǐn)?shù)。材料中某方向纖維傾角越小、纖維體積分?jǐn)?shù)越高，該方向的強(qiáng)度就越高［25］。這正是立體織物和復(fù)合材料可設(shè)計(jì)的性能。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)是定量描述立體織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)的一組數(shù)值，將結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物幾何結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)值表征，也就確定了織物纖維體積分?jǐn)?shù)及各方向上的分量［26］。

對確定立體織物結(jié)構(gòu)，其參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，參數(shù)不同，對應(yīng)的復(fù)合材料性能不同。三維編織物中，三維四向的編織角比三維五向變化范圍大，但是大多在30°以下，所以三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能主要分布在成型方向上（0°方向），尤其是三維五向的第五個方向的纖維都在0°方向上，該方向上承載能力最強(qiáng)［27］。工程上也通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，在同一個部件上實(shí)現(xiàn)外形尺寸的變化。

針刺織物是靠刺針攜入層間纖維，針刺密度越高，層間連接纖維越多，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，同時對面內(nèi)纖維損傷越大。纖維分?jǐn)?shù)40%的復(fù)合材料性能低于30%的力學(xué)性能，表明針刺密度增加時，織物會被逐漸壓實(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)有所增加。所以復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著針刺密度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢［28-29］。針刺織物的最大優(yōu)點(diǎn)之一是內(nèi)部孔隙均勻、細(xì)密，基體沉積效率高。

縫合纖維能有效改善復(fù)合材料的層間斷裂韌性和沖擊損傷容限，如圖12所示，層間斷裂韌性隨著縫合密度和縫合線直徑的增加而增加。通過對沖擊后復(fù)合材料的拉伸和壓縮強(qiáng)度測試，縫合后復(fù)合材料剩余強(qiáng)度提高2 倍［30］。實(shí)際使用中會對材料性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行平衡。

圖12 縫合工藝參數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig.12 Effect of suture process parameters on mechanical properties of composites

鄭錫濤對Z-pin 增強(qiáng)復(fù)合材料層合板開展了斷裂韌性的試驗(yàn)研究表明，Z-pin 纖維棒直徑和排布密度與層合板斷裂韌性增強(qiáng)效果正相關(guān)，當(dāng)Z-pin 纖維含量在5%以內(nèi)具有較好的增強(qiáng)效果［31］。

三維編織和三維機(jī)織主要是連續(xù)纖維整體編織而成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同方向上纖維束規(guī)格和間距；縫合、針刺、Z-pin 和細(xì)編穿刺織物結(jié)構(gòu)參數(shù)包括平面纖維層和層間連接纖維?？椢飪?nèi)不同方向上纖維體積分?jǐn)?shù)決定了該方向上力學(xué)性能，但是，立體織物纖維體積分?jǐn)?shù)有上限，任何一個方向纖維分?jǐn)?shù)的變化，會對其他方向纖維分?jǐn)?shù)和增強(qiáng)效果產(chǎn)生影響。

3.3 纖維體積分?jǐn)?shù)

立體織物纖維體積分?jǐn)?shù)V是一個很重要的參數(shù)。含量過低，難以充分發(fā)揮復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的作用；含量過高，由于纖維和基體間不能形成一定厚度的界面過渡層，無法承擔(dān)基體對纖維的力傳遞，也不利于復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高［32］。

不同結(jié)構(gòu)的立體織物，其纖維體積分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)波動。立體織物設(shè)計(jì)一般基于復(fù)合材料性能需要和織物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以立體織物纖維體積分?jǐn)?shù)V為目標(biāo)，設(shè)計(jì)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過復(fù)合材料性能驗(yàn)證，確認(rèn)織物中各方向纖維分?jǐn)?shù)Vn。

式中，V為立體織物纖維體積分?jǐn)?shù)，Vn為立體織物中第n方向纖維體積分?jǐn)?shù)。

4 立體織物成型設(shè)備

4.1 設(shè)備構(gòu)成

立體織物成型設(shè)備以高性能纖維為加工對象，攜動纖維束按照不同織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行交織。立體織物結(jié)構(gòu)不同，成型設(shè)備差異較大，主要的組成包括：纖維存儲機(jī)構(gòu)、交織規(guī)律控制機(jī)構(gòu)、纖維投送機(jī)構(gòu)、織物打緊與卷取機(jī)構(gòu)。

4.2 纖維存儲機(jī)構(gòu)

纖維存儲機(jī)構(gòu)為立體織物連續(xù)編織提供纖維，一般兼顧纖維張力控制，也有存儲和張力控制分開設(shè)計(jì)。纖維存儲機(jī)構(gòu)有單紗存儲和片紗存儲。纖維張力影響交織規(guī)律形成和材料性能，國外有精確的單紗張力控制機(jī)構(gòu)，誤差在±5%［33］，我們國內(nèi)水平還有待提高。

單紗存儲可直接用商品紗筒供給纖維，纖維經(jīng)過張力控制器輸送下道工序。單紗存儲占地面積大，適用于頭分?jǐn)?shù)少的織物編織。趙謙等提供了一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有纖維長度補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械式紗線張力控制裝置，如圖13所示，可以滿足三維編織物纖維存儲和單紗控制，也可以安裝在紗架上形成纖維束陣列［34］。

圖13 可補(bǔ)償機(jī)械式紗線張力控制及其應(yīng)用Fig.13 Compensable mechanical yarn tension control and applications

片紗存儲是將若干纖維平行卷繞在經(jīng)軸上，作為織物中某層纖維。劉國輝分析并建立了多經(jīng)軸送經(jīng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型，針對張力控制的時變性、非線性、多變量干擾等問題，采用分布式控制經(jīng)紗張力控制方法，滿足大跨度多經(jīng)軸送經(jīng)張力控制［35］。

4.3 交織規(guī)律控制機(jī)構(gòu)

立體織物內(nèi)部纖維循環(huán)偏離原有位置形成相互交織，或?yàn)槠渌较蚶w維引入形成通道，這些動作由交織規(guī)律控制機(jī)構(gòu)完成。

三維編織交織規(guī)律的控制分為縱橫式和旋轉(zhuǎn)式兩類。如圖14所示，縱橫式一般采用驅(qū)動元件推動攜紗器在導(dǎo)軌中作行與列的運(yùn)動，攜紗器可以做得很小，排布密集，載紗頭份數(shù)多，但難以連續(xù)編織，因此編織效率較低；如圖15所示，旋轉(zhuǎn)式依靠角輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動攜紗器在底盤上運(yùn)動，運(yùn)動較為流暢，編織效率高，載紗頭份數(shù)較少。國內(nèi)工程應(yīng)用主要用縱橫式編織機(jī)，旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)主要用于教學(xué)研究［36-37］。

圖14 縱橫式三維編織Fig.14 Vertical and horizontal three-dimensional weaving

圖15 旋轉(zhuǎn)式三維編織Fig.15 Rotating three-dimensional programming

控制三維機(jī)織物交織規(guī)律的是開口機(jī)構(gòu)，開口機(jī)構(gòu)把經(jīng)向纖維按照規(guī)律分成若干層，形成緯向纖維的引入通道。

如圖16所示，開口機(jī)構(gòu)的重要組成是綜絲，綜絲分布在多頁綜框上，綜框在凸輪或連桿的驅(qū)動下形成上下往復(fù)運(yùn)動，使得每個纖維層運(yùn)動到固定的兩個位置。多眼綜絲減少綜框數(shù)量，也減少了開口機(jī)構(gòu)占用的空間，使機(jī)構(gòu)更加緊湊，實(shí)現(xiàn)多層開口和引緯。對截面復(fù)雜變化的織物需采用多臂開口機(jī)構(gòu)或電子提花開口機(jī)構(gòu)［38-41］。

圖16 開口機(jī)構(gòu)Fig.16 Shedding mechanism

4.4 纖維投送機(jī)構(gòu)

在編織過程中，不同方向纖維需要獨(dú)立的引緯機(jī)構(gòu)，如三維編織中的第六向、七向纖維，三維機(jī)織中的緯向纖維等。這些纖維的引入由相關(guān)設(shè)備的投送機(jī)構(gòu)完成，以三維機(jī)織的引緯機(jī)構(gòu)為例，如圖17所示，分為有梭引緯和無梭引緯，這兩種形式在立體織物編織中均有使用［42-43］。

圖17 引緯機(jī)構(gòu)Fig.17 Picking motion

有梭引緯是攜紗器上存儲緯向纖維，往復(fù)引緯，實(shí)現(xiàn)織物光邊織造；無梭引緯是指攜紗器從通道一側(cè)紗筒上的纖維帶入織物內(nèi)，形成毛邊織物織造；無梭引緯的形式有很多，高性能纖維織造主要使用劍桿引緯，甚至是多劍桿引緯［44］。

4.5 織物打緊與卷取機(jī)構(gòu)

織物的打緊是織物密實(shí)的過程?？椢锍尚瓦^程中，若干個編織循環(huán)后，需要將交織的纖維進(jìn)一步密實(shí)到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這個過程由打緊機(jī)構(gòu)完成，一般的打緊是沿著織物成型方向。卷取機(jī)構(gòu)將織物按照設(shè)定的步長前進(jìn)一定距離，如圖18所示，卷取的步長與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)。

圖18 三維機(jī)織物的卷?。?7-48］Fig.18 Winding of three dimensional woven fabrics

三維編織物的打緊機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)或氣缸沿著成型方向推動，根據(jù)纖維頭分?jǐn)?shù)和密實(shí)程度，可能需要多個方向進(jìn)行打緊［45］。為了保持連續(xù)編織，由卷取機(jī)構(gòu)將成型后三維編織物向前移動一個步距，步距量與打緊機(jī)構(gòu)生成的織物花節(jié)長度相匹配。

三維機(jī)織物的打緊機(jī)構(gòu)通過鋼筘運(yùn)動將多層緯向纖維推向成型區(qū)，鋼筘的運(yùn)動由連桿或凸輪打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動，鋼筘控制著織物經(jīng)密和幅寬。連續(xù)織造的織物有固定成型區(qū)，已經(jīng)成型的織物被卷取機(jī)構(gòu)拖離成型區(qū)，為下一次緯紗打緊和織物生成騰出空間［46］。

5 立體織物的應(yīng)用

5.1 高溫透波材料

20世紀(jì)60年代，美國菲歌福特公司就著手研制正交三向石英編織物增強(qiáng)SiO2復(fù)合材料。用石英纖維編織正交三向塊狀織物，纖維體積分?jǐn)?shù)超過50%，再浸漬高純度膠狀SiO2基體，燒結(jié)成復(fù)合材料坯料。美國現(xiàn)役三叉戟系列導(dǎo)彈就采用正交三向織物增強(qiáng)石英復(fù)合材料作天線窗［49］。國內(nèi)目前已經(jīng)開發(fā)出系列化天線窗用立體織物，包括針刺、縫合、三維機(jī)織和正交三向等，并且把這些技術(shù)進(jìn)一步推廣到天線罩的應(yīng)用。

5.2 高溫防熱材料

C/C 復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。正交三向碳纖維織物通過浸漬法和化學(xué)氣相滲透法制作成C/C 復(fù)合材料，細(xì)編穿刺C/C 復(fù)合材料的燒蝕性能更優(yōu)，且可以通過碳布疊鋪角度的調(diào)整提高復(fù)合材料的各向同性性能。

美國的系列洲際導(dǎo)彈端頭帽均采用細(xì)編穿刺C/C 復(fù)合材料，各級發(fā)動機(jī)喉襯用織物采用徑棒法編織，后期發(fā)展出性能更優(yōu)的四向立體織物，成功應(yīng)用在三叉戟-Ⅱ等導(dǎo)彈。俄羅斯和法國的固體火箭發(fā)動機(jī)喉襯用立體織物都經(jīng)歷過四向硬棒編織，法國歐洲動力公司還研制出針刺等成型技術(shù)［50］。我國發(fā)動機(jī)喉襯用立體織物研制經(jīng)歷過硬棒編織、針刺和細(xì)編穿刺等工藝技術(shù)。

5.3 空天往返飛行器材料

NASA 適應(yīng)性可展開進(jìn)入布置技術(shù)（ADEPT）的熱防護(hù)罩，如圖19所示，采用了碳纖維織物縫合的蒙皮，該蒙皮被拉伸到可展開的肋骨和支架上，完全展開后會變?yōu)閯傂浴Ｌ祭w維織物蒙皮成為進(jìn)入、下降和著陸熱防護(hù)系統(tǒng)的主要組成部分［51］。

圖19 NASA適應(yīng)性可展開進(jìn)入布置技術(shù)Fig.19 A Mechanically deployable entry system technology in development at NASA

NASA 研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了正交三向石英織物增強(qiáng)氰酸酯樹脂復(fù)合材料，如圖20所示，用于獵戶座飛船壓縮墊，該織物是Bally Ribbon Mills 使用提花織機(jī)連續(xù)織造76 mm 厚和305 mm 寬三向石英纖維織物。這是美國宇航局首次在飛船熱保護(hù)系統(tǒng)中使用三維機(jī)織物增強(qiáng)的復(fù)合材料［47］。

圖20 正交三向織物在往返式飛行器上的應(yīng)用Fig.20 Application of orthogonal fabric to shuttle aircraft

5.4 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料

復(fù)合材料在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用包括太陽電池陣結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)，基于衛(wèi)星惡劣環(huán)境下對結(jié)構(gòu)材料承載要求，采用整體編織物增強(qiáng)的復(fù)合材料，提高了構(gòu)件的整體穩(wěn)定性［52-53］。

5.5 航空發(fā)動機(jī)用材料

發(fā)動機(jī)是大型飛機(jī)核心組成部分，充分利用先進(jìn)復(fù)合材料可以有效提高推重比、降低油耗、噪音和維修成本。Leap-X 發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片是法國Snecma公司委托Albany公司研制，如圖21所示。

圖21 發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片織造和復(fù)合工藝Fig.21 Engine fan blade weaving and composite process

Albany 公司采用三維機(jī)織成套裝備技術(shù)進(jìn)行風(fēng)扇葉片織物的織造，包括復(fù)合材料制備全程自動化，葉片織造過程僅需要24 h［54］。

6 立體織物發(fā)展趨勢

為進(jìn)一步提高復(fù)合材料在不同環(huán)境下的服役性能，立體織物編織技術(shù)進(jìn)步需與高性能纖維工程化研制同步進(jìn)行，尤其是陶瓷纖維等脆性纖維的編織一直是立體織物研究工作內(nèi)容之一：（1）高溫陶瓷透波材料能滿足高溫、承載、透波和抗燒蝕等功能的一體化需求，Si3N4等纖維的整體編織物，可增強(qiáng)陶瓷透波復(fù)合材料韌性和抗熱震等性能，成為高溫透波材料研究的一個重要發(fā)展方向；（2）SiC/SiC 復(fù)合材料具備高比模量、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度的優(yōu)勢，SiC 纖維仿形編織物是航空發(fā)動機(jī)熱端部件和空天往返飛行器頭錐及前緣等的首選；（3）高模量或超高模碳纖維耐高、低溫性能均很強(qiáng)，其整體編織物能滿足衛(wèi)星結(jié)構(gòu)應(yīng)用的強(qiáng)度和剛度雙要求。

航空航天復(fù)合材料都經(jīng)歷了功能材料向結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的過程。作為飛行器結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)度碳纖維為復(fù)合材料替代金屬材料奠定了基礎(chǔ)，立體織物的整體增強(qiáng)形式使得航空航天結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)性更強(qiáng)。

為充分發(fā)揮立體織物增強(qiáng)復(fù)合材料的獨(dú)特優(yōu)勢，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，需充分融合現(xiàn)代裝備和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)立體織物的高效低成本制備，使立體織物從軍用向民用產(chǎn)業(yè)方向拓展。

立體織物的發(fā)展，不能局限于部件及其應(yīng)用，應(yīng)從材料屬性角度研究立體織物結(jié)構(gòu)、工藝、制備和評價技術(shù)，充分利用傳統(tǒng)紡織學(xué)科技術(shù)，同時借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高性能纖維特點(diǎn)，推進(jìn)立體織物技術(shù)交流和相關(guān)機(jī)理的深入研究，從立體織物術(shù)語定義到技術(shù)參數(shù)表征，開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，形成學(xué)科體系。使我國立體織物從小批量、多品種向大批量、少品種轉(zhuǎn)化，有效減少研究開發(fā)、設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高原材料利用率、提升設(shè)備機(jī)械化程度，有效降低立體織物制備成本。